Search

Text Color

Margin Size

Font Type

Enable Dyslexic Font

Sólidos Covalent-Network: Semiconductores y Aisladores

Última actualización

30 oct 2022
Guardar como PDF
- Otros Sólidos: Polímeros, Nanomateriales, Espumas, etc.
- Sólidos iónicos

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) $\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

$\newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow$

$\newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow$

$\newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}}$

$\newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}}$

$\newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}}$

$\newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}}$

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\avec}{\mathbf a}$

$\newcommand{\bvec}{\mathbf b}$

$\newcommand{\cvec}{\mathbf c}$

$\newcommand{\dvec}{\mathbf d}$

$\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}$

$\newcommand{\evec}{\mathbf e}$

$\newcommand{\fvec}{\mathbf f}$

$\newcommand{\nvec}{\mathbf n}$

$\newcommand{\pvec}{\mathbf p}$

$\newcommand{\qvec}{\mathbf q}$

$\newcommand{\svec}{\mathbf s}$

$\newcommand{\tvec}{\mathbf t}$

$\newcommand{\uvec}{\mathbf u}$

$\newcommand{\vvec}{\mathbf v}$

$\newcommand{\wvec}{\mathbf w}$

$\newcommand{\xvec}{\mathbf x}$

$\newcommand{\yvec}{\mathbf y}$

$\newcommand{\zvec}{\mathbf z}$

$\newcommand{\rvec}{\mathbf r}$

$\newcommand{\mvec}{\mathbf m}$

$\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}$

$\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}$

$\newcommand{\real}{\mathbb R}$

$\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}$

$\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}$

$\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}$

$\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}$

$\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}$

$\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}$

$\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}$

$\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}$

$\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}$

$\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}$

$\newcommand{\bcal}{\cal B}$

$\newcommand{\ccal}{\cal C}$

$\newcommand{\scal}{\cal S}$

$\newcommand{\wcal}{\cal W}$

$\newcommand{\ecal}{\cal E}$

$\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}$

$\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}$

$\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}$

$\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}$

$\newcommand{\row}{\text{Row}}$

$\newcommand{\col}{\text{Col}}$

$\renewcommand{\row}{\text{Row}}$

$\newcommand{\nul}{\text{Nul}}$

$\newcommand{\var}{\text{Var}}$

$\newcommand{\corr}{\text{corr}}$

$\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}$

$\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}$

$\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}$

$\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}$

$\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}$

$\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}$

$\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}$

$\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}$

$\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}$

$\newcommand{\lt}{<}$

$\newcommand{\gt}{>}$

$\newcommand{\amp}{&}$

$\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}$

Habilidades para Desarrollar

Explicar las propiedades de algunos sólidos de red covalente
Describir los semiconductores y algunas de sus propiedades

Puede leer una introducción rápida a los sólidos de la red covalente en la página de introducción. La idea básica es que para hacer una red de enlaces covalentes, cada átomo (o muchos de los átomos) tiene que hacer 3 o 4 enlaces a otros átomos. Esto significa que los sólidos de la red covalente suelen incluir carbono, silicio y sus vecinos en la tabla periódica. Aquí, nos centraremos en estructuras simples y ordenadas como diamante, grafito y silicio puro. También hay óxidos sólidos de red covalente, como los silicatos, en los que los átomos de oxígeno conectan 2 átomos de silicio, y cada átomo de silicio se conecta a 4 oxígenos. Los óxidos parcialmente covalentes son de lo que están hechas la mayoría de las rocas y cerámicas.

Grafito

El carbono tiene 2 alótropos, o formas elementales puras. La forma más estable es el grafito, un material oscuro y resbaladizo utilizado en lápices y lubricantes. Recuerda que el carbono normalmente hace 4 enlaces. La estructura del grafito es láminas hexagonales planas; una sola lámina se llama grafeno. Cada átomo de carbono hace 3 enlaces σ y los orbitales p sobrantes forman una red de enlaces π deslocalizados sobre toda la lámina, muy similar al enlace π en el benceno. El sistema π-bond en realidad forma bandas, como en un metal, permitiendo que el grafito conduzca la electricidad a lo largo de las láminas. Las interacciones débiles, como las fuerzas de dispersión de Londres, (llamadas π-stacking en este caso) mantienen las hojas juntas sin apretar. Debido a que pueden deslizarse entre sí (especialmente cuando los átomos de impurezas están atrapados en el medio) el grafito es un buen lubricante.

Estructura de Diamante

El otro alótropo a granel de carbono es el diamante. En el diamante, cada carbono hace 4 enlaces en direcciones tetraédricas a otros átomos de carbono. La estructura es como la estructura iónica de la blenda de zinc, excepto que todos los átomos son iguales. Las propiedades del diamante (aislante, duro) provienen de los fuertes enlaces covalentes. Recuerde que los enlaces C-C son algunos de los enlaces covalentes más fuertes. Es más fácil pensar que el diamante se forma con orbitales híbridos sp ³ en cada átomo. Es difícil imaginar las interacciones MO, pero lo principal que podemos saber es que debido a que hay una buena coincidencia de energía y una buena superposición entre los átomos, la división (diferencia de energía) entre los MO enlazantes y antiadherentes será grande (y no habrá ningún MO no enlazante, porque cada átomo tiene 4 orbitales y hace 4 bonos). Todavía habrá bandas como en metales, pero ahora hay 2 bandas con una gran brecha de energía en el medio. La banda de unión de baja energía se llama banda de valencia, y hay exactamente suficientes electrones para llenarla. La banda de alta energía, anti-unión se llama banda de conducción, y está vacía.

Si era difícil entender el párrafo anterior, imaginemos hacer 1 enlace entre 2 átomos. Utilizamos un híbrido sp ³ en cada átomo. Estos apuntan justo el uno al otro, tienen exactamente la misma energía, y tienen una buena superposición. Podemos imaginar dibujar un diagrama MO al igual que para H ₂, con una gran brecha de energía entre los orbitales de unión y antiunión. Cada átomo tiene 4 electrones en total, y hace 4 enlaces así, así que cada enlace obtiene 1 electrón de cada átomo: lo suficiente para llenar el MO de unión. Cuando multiplicamos esto sobre todos los enlaces en el diamante, obtenemos la banda de valencia completa y la banda de conducción vacía. La brecha de energía entre ellos se llama brecha de banda. En el diamante, la brecha de la banda es grande, por lo que el diamante es un aislante.

Célula unidad diamante, por Anton vía Wikimedia Commons

Semiconductores

El silicio tiene una estructura igual que el diamante. (No hace grafito, porque la mayoría de los enlaces π son débiles para los elementos de la segunda fila). Sin embargo, el silicio tiene un espacio de banda más pequeño que el diamante. El germanio, que está por debajo del silicio en la tabla periódica, tiene la misma estructura, y un espacio de banda aún menor. Generalmente, a medida que bajamos por la tabla periódica, las fortalezas de los enlaces covalentes se hacen más pequeñas, lo que es lo mismo que decir que la división entre orbitales ligantes y antiadherentes se hace más pequeña. Es difícil decir por qué, pero si asumes que los átomos más pesados tienen peor superposición orbital, generalmente harás buenas predicciones.

Los semiconductores son materiales que conducen la electricidad un poco. Ellos son la base de toda la informática y electrónica. La semiconductividad proviene de tener una banda de valencia no del todo llena, una banda de conducción no del todo vacía, o ambas. Si hay algunos electrones en la banda de conducción, pueden conducir la electricidad igual que en un metal (excepto menos, ¡porque no hay muchos de ellos!). Si faltan algunos electrones de la banda de valencia, los puntos vacíos se llaman agujeros y pueden moverse, conduciendo también electricidad. Si el intervalo de banda de un material no es demasiado grande en comparación con la energía térmica, entonces algunos electrones pueden estar en la banda de conducción aunque haya espacio para ellos en la banda de valencia (debido a la energía térmica). Por esta razón, los semiconductores conducen mejor a mayor temperatura, debido a que habrá más electrones en la banda de conducción.

Diagrama que muestra la diferencia entre bandas en metales, semiconductores y aislantes. E _F, la energía Fermi, representa aproximadamente el límite entre MOs llenos y vacíos: la energía de un estado que tiene un 50% de probabilidad de estar lleno en equilibrio. El semiconductor intrínseco tiene electrones en la banda de conducción debido a la energía térmica.

Semiconductores de Dopaje

La otra forma de hacer un semiconductor, con un material cuya banda prohibida es demasiado grande a temperatura ambiente, es añadiendo algunos átomos de impureza con diferentes números de electrones, lo que se denomina dopaje. Imagina que tienes silicio con solo unos pocos átomos de nitrógeno reemplazando a los átomos de silicio. Cada N tiene un electrón extra. Ahora habrá algunos electrones en la banda de conducción, ¡así que es un semiconductor! Y podemos controlar la conductividad controlando la cantidad de N que agregamos. Podemos hacer lo mismo si agregamos un poco de boro, que tiene 3 electrones. En este caso, habría algunos agujeros en la banda de valencia. Estos se denominan semiconductores tipo p (positivos, menos electrones, como con B) o tipo n (negativos, electrones adicionales, como con N). Muchos dispositivos importantes, como LEDs, células solares y transistores (la base de chips de computadora) están hechos de capas de semiconductores tipo p y tipo n.

Semiconductores Compuestos

También podemos hacer semiconductores que son compuestos, como el arseniuro de galio (fórmula GaAs). Estos tienen una fórmula AB, y siempre hay 8 electrones de valencia en la fórmula. Por ejemplo, Ga tiene 3 y As tiene 5, por lo que GaAs tiene 8. Otro ejemplo es ZnSe, (Zn tiene 2 electrones de valencia en 4s, Se tiene 6 electrones de valencia igual que O). Así, tienen el mismo número de electrones de valencia que C o Si. También tienen la misma estructura (blenda de zinc, al igual que el diamante excepto que los átomos alternan tipos). Al combinar muchos elementos diferentes, podemos cambiar varias propiedades, como banda gap, para que sea exactamente lo que queremos. Generalmente, la banda prohibida aumenta a medida que los 2 elementos están más separados (la unión se vuelve más iónica y los sólidos iónicos no son conductores). Incluso podemos mezclar 3 o más elementos, como en CdZnTe (la fórmula real probablemente estaría escrita (Cd, Zn) Te, es decir, que el número de Cd + Zn = Te). Para hacer semiconductores con las propiedades adecuadas, podemos usar diferentes combinaciones de elementos y también dope con muchos elementos diferentes.

Enlaces externos

Colaboradores y Atribuciones

Emily V Eames (City College of San Francisco)